Feasibility analysis of the hygroscopic building material for controlling indoor humidity

1 调湿建材--一种新型的湿度调节方式 　　调湿建材是一种利用调湿材料对水蒸气的自动吸放作用调节室内空气湿度的建筑墙体材料，主要成分是调湿材料 胶结料。 　　调湿建材对水蒸气的吸收与释放取决于于其表面的水蒸气分压力及周围环境空气的水蒸气分压力。其调湿原理如图1。其中ps>pa 时，水蒸气被释放；当ps＜pa时，水蒸气被吸收；当 ps=pa时，二者达到平衡。由此可见，只要将调湿建材应用于围护结构内表面，它便能自动调节室内湿度，调湿过程连续、无能耗。 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 调湿建材调湿原理 2 调湿建材的适用场合 　　对于一些夏季要求除湿，冬季要求加湿的房间，传统的空调湿处理方式是在除湿阶段将室内余湿排出；而在加湿阶段，再向室内补充所需的湿量。事实上，对于那些全年需除湿量与加湿量相当的房间，如果房间内部能把除湿阶段的余湿储存起来，到需要加湿时再释放出去，那么该房间将不需要其它的除湿、加湿设备。调湿建筑能起到这种蓄放湿的作用。 　　对于室外空气含水量湿量较低的地区，调湿建材可用于产湿量较大的建筑，相反，在气候较潮湿的地区，调湿建材只能用于室内无产湿或产湿量很小的建筑。 3 调湿建材应具备的蓄湿量估算 　　从以上分析可知，调湿建材是通过储存与释放湿的方式调节室内湿度，那么其蓄湿量要达到多少才能满足室内的调湿要求？现在一室内尺寸为5m×5m×3m（长×宽×高）的办公室为例，计算其在北京气候条件下的全年湿负荷，并由此估算出调湿建材应具备的蓄湿量，所涉及的计算条件见表1。室外气象参数由供热空调能耗分析用逐时气象数据生成系统Medpha提供。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1 计算条件 房间基本情况 房间体积 5m×5m×3m 门 2m×1m 窗 2m×2m 室内温湿度设置 4,5月(春季)24℃ 40%～65% 6,7,8月(春季)27℃ 40%～65% 9,10月(秋季)24℃ 40%～65% 11,12,1,2,3月(冬季)20℃ 40%～65% 室内产湿 (人员产湿) 人数 3 产湿时间 8:00～18:00 (周一周五) 产湿量(极轻劳动)[1] 20℃:19g/h; 24℃:96g/h; 27℃:115g/h 新风量* 8:00～18:00(周一周五) 30 m3/ (h·人) ** 其它时间 0 　　*认为室外空气只通过新风通道进入室内，无渗入； 　　**办公室（三级）的新风量设计标准为：30 m3/ (h·人) [2] 　　3．1 计算方法 　　房间湿平衡方程： 　　　　　　　　 　　　　(1) 　　式中：V--房间体积，m3； 　　 dr（n）--n时刻室内空气含湿量，kg/ kg； 　　 dr（n-1）--（n-1）时刻室内空气含湿量，kg/ kg； 　　 dO（n）--n时刻室外空气含湿量，kg/ kg； 　　G（n）--n时刻的新风量，m3/h 　　W（n）--n时刻房间的内扰散湿量；kg/ h 　　Q（n）--n时刻房间空调系统的湿负荷，kg/ h 　　Q（n）>0为除湿负荷, Q（n）<0为加湿负荷； 　　ρa--空气密度，kg/ m3； 　　Δτ--时间间隔，h。 　　计算时，先假设湿负荷Q（n）为0，由式（1）算出n时刻室内空气含湿量dr（n），对应n时刻的温度可得该时刻的室内相对φ（n），若n时刻在上班时间段内，并且φ（n）超出室内湿度的设定范围，则须设定φ（n）的值（当φ（n）> 65%时，设φ（n）=65%，当φ（n）< 40%时，设φ（n）=40%），并算出其对应的dr（n），代入式（1）反过来求解n时刻的湿负荷Q（n）。 　　3．2 计算结果 　　北京地区冬季室外空气含湿量较低，全年新风湿负荷为负值，其绝对值与全年室内产湿负荷相当，从而保证了房间全年的除湿负荷与加湿负荷相当，并且呈现为冬季要求加湿、夏季要求除湿的情形（图2），因此可以使用调湿建材将夏季的余湿蓄存起来，到冬季时再释放出去，不需其它调湿手段。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 日平均湿负荷全年变化 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表2 北京地区计算结果 全年新风湿负荷 全年室内产湿量 全年除湿负荷 全年加湿负荷 -689 702 244 -231 　　从表2得知，北京地区该房间一年的加、除湿量在240 kg左右，若使用调湿建材独立调节室内湿度，则要求其蓄湿量达到240 kg，假设该房间使用了54 m2（除去门窗后的墙体内壁面积）的调湿建材，建材厚20m m，即所用的调湿建材体积为1.08 m3，可得调湿建材所要求的蓄湿量约为222 kg/ m3，此外为了保证室内相对湿度较舒适，还要求调湿建材蓄量在222 kg/ m3左右，仍保持其表面对应的空气相对湿度在较舒适范围。

4 高分子树脂凝胶Gel-- 一种高性能的调湿材料
　　Gel是由高分子树脂吸收盐涂溶液后形成的凝胶，其调湿原理是利用了凝胶中的盐溶液对水蒸气的吸收与释放作用。常用的盐溶液为CaCl₂或LiCl溶液。图3人出了吸收了CaCl₂溶液的高分子树脂凝胶在不同相对湿度下对应的平衡含水率，实验环境温度为25℃ [3]。其中C是每kg干固体中的含水率，Gel中的干固体是指吸湿前的高分子树脂和无水CaCl₂。为了便于比较，图3还给出了常用吸湿材料硅胶的平衡含水率曲线[4]。从图3可以看出，凝胶在φ=50%～80% 之间的含湿量之差约为0.93 kg/ kg，而硅胶在相同湿度范围内的含水量水率之差只有0.37 kg/ kg左右。可见Gel的蓄湿能力明显优于硅胶。
　
　　　 　　　　　　　　　　　　　图3 Gel与硅胶的平衡含水率曲线　

　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 调湿建材的平衡含水率曲线

　　Gel是胶状物质，不能直接作为墙体材料。将Gel掺混到水泥、珍珠岩等材料中，可制成板状调湿建材。图4给出其了该调湿建材在不同相对湿度下的平衡含水率，实验环境温度为27℃。从图4可以看出该调湿建材在φ=40%～65%之间的含湿量之差约为270 kg/ m^{3，对于算例中的房间，只要使用0.89m3}的调湿建材即可满足要求。

5 结论
　　在一定的室内产湿及气候条件下，配合适当的通风换气，调湿建材替代传统的空调湿处理方式，独立调节室内湿度是可行的。以高分子树脂凝胶为主要材料的新型调湿建材，在φ=40%～65%之间的含水率之差可达270kg/ m³，具有很好的蓄放湿能力，可以满足北京时地区办公型房间的调湿要求。
　　本文只是从宏观的、总体的角度估算了调湿建材应具备的蓄放湿能力，但其吸放湿的速度能否满足室内的调湿要求，还需要进下的数值模拟和实验验证。
　　
参考文献
　　1 赵荣义，范存养，等，空气调节。北京：中国建筑工业出版社，1994
　　2 陆耀庆，主编，实用供热空调设计手册，北京：中国建筑工业出版社，1993
　　3 Jin Zhaofen, Yutaka Askao, et al. Thermal and water storage characteristics of super-absorbent polymer Gel which absorbed aqueous solution of calcium chloride. Thermophysics and Heat Transfer Conference, Volume 4, ASME,1998
　　4 Motoyuki Suzuki. Adsorption engineering. Tokyo: Kodansha Ltd, 1990